TW201902628A - 多孔性之磨料叢集體、磨削工具及其製備方法 - Google Patents

Abstract

一種多孔性之磨料叢集體，其包含複數個磨料顆粒、複數個陶瓷氧化物微結構以及分佈在磨料顆粒與陶瓷氧化物微結構之間的複數個孔隙，磨料顆粒係藉由陶瓷氧化物微結構而相互黏結，其中陶瓷氧化物微結構未填滿磨料顆粒之間的空間而形成孔隙。

Description

多孔性之磨料叢集體、磨削工具及其製 備方法

本發明係關於一種多孔性之磨料叢集體；關於包含多孔性之磨料叢集體的磨削工具；及關於製備多孔性之磨料叢集體之方法。

現有的磨削工具製程，是藉由結合劑將習知的磨料顆粒(如氧化鋁、碳化矽、氧化鋁-氧化鋯、鋁氧氮化物、二氧化鈰、次氧化硼、石榴石、燧石、鑽石、立方氮化硼(CBN)等各式可用來當作磨料的主體)，固著於磨削工具的基材表面上所製備。此種磨削工具，係利用磨料顆粒具備高硬度與耐磨之特性，使之於研磨時能達到磨削效果。而作為磨料顆粒之選擇，尤以目前所知最硬的工業材料之一的鑽石為常用之研磨工具材料。

然而，目前習知的磨料顆粒並不適用於具有彈性的結合劑(例如：樹脂、金屬、橡膠、聚氨酯、聚氯乙烯等)。因為在研磨時，磨料所受正向壓力龐大。而磨料顆粒 之硬度大於支撐於其後的結合劑。使得磨削工具在進行研磨時，會有磨料顆粒陷(沉)入結合劑的現象產生。因此徒耗時間與能量，研磨效率不佳。

另外，目前習知的磨料顆粒所製成的磨削工具，常會有磨料團聚分布不均的現象。因為藉由結合劑將磨料顆粒黏結於基材表面時，磨料顆粒顆粒細小，具有表面能，使得磨料顆粒產生自動聚集減少表面能的傾向。進而團聚形成硬點，不具有切削能力。

再者，目前習知的磨削工具中，磨料顆粒(如鑽石)之替換性差。因為磨料顆粒在進行研磨時，其研磨表面會被磨成平面，以至於幾乎沒有削切能力，從而影響研磨之效率。

本發明之一態樣係提供一種多孔性之磨料叢集體，其包含磨料顆粒、陶瓷氧化物微結構以及分佈在磨料顆粒與陶瓷氧化物微結構之間的孔隙，磨料顆粒係藉由陶瓷氧化物微結構而相互黏結，其中陶瓷氧化物微結構未填滿磨料顆粒之間的空間而形成孔隙。

在本發明某些實施方式中，以多孔性之磨料叢集體總體積為基準，孔隙為5~80體積%。

在本發明某些實施方式中，磨料顆粒係選自由氧化鋁顆粒、碳化矽顆粒、氧化鋁-氧化鋯顆粒、鋁氧氮化物顆粒、二氧化鈰顆粒、次氧化硼顆粒、石榴石顆粒、燧石 顆粒、鑽石顆粒、立方氮化硼(CBN)顆粒以及上述之組合所組成之群組。

在本發明某些實施方式中，陶瓷氧化物微結構包含二氧化矽、氧化鋯、氧化鎂、氧化鈣、氧化鈉、氧化鉀、二氧化鈦、氧化鐵、氧化鋁、氧化硼、氧化鈰或上述之組合。

在本發明某些實施方式中，磨料叢集體粒徑為70-220微米。

本發明之另一態樣係提供一種磨削工具，其包含基材、磨料複合層，磨料複合層包含前述之多孔性之磨料叢集體以及固化結合劑，磨料複合層配置在基材表面上，多孔性之磨料叢集體分散於固化結合劑中。

在本發明某些實施方式中，固化結合劑係有彈性的。

在本發明某些實施方式中，固化結合劑包含樹脂、金屬、橡膠、聚氨酯或聚氯乙烯。

本發明之另一態樣係提供一種製備多孔性之磨料叢集體之方法，包含下列步驟：(a)混合磨料顆粒、陶瓷氧化物顆粒以及高分子黏結劑，而形成混合物顆粒；(b)將混合物顆粒置入300℃至900℃之環境中進行燒結，以移除混合物顆粒中的高分子黏結劑，並使陶瓷氧化物顆粒至少局部熔融而連結磨料顆粒，而形成多孔性之磨料叢集體。

在本發明某些實施方式中，步驟(a)包含使用一乾式造粒製程或濕式造粒製程。

100‧‧‧基材

200‧‧‧磨料複合層

210‧‧‧多孔性之磨料叢集體

211‧‧‧磨料顆粒

211a‧‧‧沒有削切能力之磨料顆粒

212‧‧‧孔隙

213‧‧‧陶瓷氧化物微結構

213a‧‧‧斷裂的陶瓷氧化物微結構

220‧‧‧固化結合劑

310~320‧‧‧步驟

第1圖為本發明實施例之多孔性之磨料叢集體之立體示意圖。

第2圖為本發明實施例之多孔性之磨料叢集體製備方法流程圖。

第3圖為本發明實施例之磨削工具之立體示意圖。

第4A圖與第4B圖為本發明實施例之多孔性之磨料叢集體自生示意圖。

為了使本發明揭示內容的敘述更加詳盡與完備，下文係舉實施例配合所附圖式作詳細說明本發明之實施態樣與具體實施例；但所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用來限定本發明。在全篇說明書與申請專利範圍所使用之用詞(terms)，通常具有每個用詞使用在此領域中的平常意義。某些用以描述本揭露之用詞將於下或在此說明書的別處討論，以提供本領域技術人員在有關本揭露之描述上額外的引導。

多孔性之磨料叢集體

請參考第1圖，其為本發明實施例之多孔性之磨料叢集體210之立體示意圖。多孔性之磨料叢集體210包含複數個磨料顆粒211、複數個陶瓷氧化物微結構213以及分佈在磨料顆粒211與陶瓷氧化物微結構213之間的複數個孔隙212。磨料顆粒211係藉由陶瓷氧化物微結構213而相互黏 結，其中陶瓷氧化物微結構213未填滿磨料顆粒211之間的空間而形成孔隙212。

在本發明某些實施方式中，以多孔性之磨料叢集體總體積為基準，孔隙為5~80體積%，例如為10體積%、20體積%、30體積%、40體積%、50體積%、60體積%、70體積%或75體積%。若孔隙的體積百分比大於80%，則多孔性之磨料叢集體的機械強度不足，但當孔隙的體積百分比小於某一數值時，則無法達成本發明的某些技術效果，下文將更詳細敘述。因此根據本發明某些實施方式，孔隙的體積百分比存在一個適當的範圍。

在本發明某些實施方式中，磨料顆粒之材料選自由氧化鋁顆粒、碳化矽顆粒、氧化鋁-氧化鋯顆粒、鋁氧氮化物顆粒、二氧化鈰顆粒、次氧化硼顆粒、石榴石顆粒、燧石顆粒、鑽石顆粒、立方氮化硼(CBN)顆粒以及上述之組合所組成之群組。

在本發明某些實施方式中，陶瓷氧化物微結構包含二氧化矽、氧化鋯、氧化鎂、氧化鈣、氧化鈉、氧化鉀、二氧化鈦、氧化鐵、氧化鋁、氧化硼、氧化鈰或上述之組合。

在本發明某些實施方式中，磨料顆粒之粒徑為1~100微米，較佳為80微米以下，更佳為60微米以下，再更佳為40微米以下。本說明書中「粒徑」係指相當球徑，即具有與顆粒同體積之圓球直徑，具體上係指經雷射繞射/散射法所測量之粒徑。

在本發明某些實施方式中，多孔性之磨料叢集體粒徑為10~220微米，例如為20微米、30微米、40微米、 50微米、60微米、70微米、80微米、90微米、100微米、110微米、120微米、130微米、140微米、150微米、160微米、170微米、180微米、190微米、200微米或210微米。

多孔性之磨料叢集體製備方法

請參考第2圖，其為本發明實施例之多孔性之磨料叢集體製備方法流程圖。在本發明某些實施方式中，多孔性之磨料叢集體製備方法包含下列步驟：(a)混合複數個磨料顆粒、複數個陶瓷氧化物顆粒以及高分子黏結劑，而形成至少一混合物顆粒；(b)將混合物顆粒置入300℃至900℃之環境中進行燒結，以移除混合物顆粒中的高分子黏結劑，並使陶瓷氧化物顆粒至少局部熔融而連結磨料顆粒，而形成一多孔性之磨料叢集體。

在本發明某些實施方式中，在上述步驟(a)中，陶瓷氧化物顆粒之平均粒徑大致上接近磨料顆粒之平均粒徑。例如，陶瓷氧化物顆粒之平均粒徑為磨料顆粒之平均粒徑的±80%、±50%、或±20%，藉由陶瓷氧化物微結構與磨料顆粒尺寸相近，從而使磨料顆粒與陶瓷氧化物顆粒具有較好的分散效果。

在本發明某些實施方式中，混合物顆粒中的磨料顆粒與陶瓷氧化物微結構的體積比為9：1至1：9，例如為8：2、7：3、6：4、5：5、4：6、3：7或2：8。

在本發明某些實施方式中，混合物顆粒包含1~40體積%的高分子黏結劑，例如為5體積%、10體積%、15體積%、20體積%、25體積%、30體積%或35體積%。

在本發明某些實施方式中，上述步驟(a)所述形 成至少一混合物顆粒包含使用乾式造粒製程或濕式造粒製程而形成多個混合物顆粒。所述濕式造粒製程係指得添加「溶劑」於混合製程中，從而使磨料顆粒與陶瓷氧化物微結構具有較好的分散效果。在一實施例中，上述溶劑可例如為水或能與水互溶的溶劑，在造粒製程中可藉由添加水使其混合效果更佳。相較於其他習知的黏結劑(如金屬、樹脂)等，本發明某些實施方式之步驟(a)具有得添加水之特點。

在本發明某些實施方式中，於濕式造粒製程中得添加「分散劑」，從而使磨料顆粒與陶瓷氧化物微結構具有較好的分散效果。適合的「分散劑」為水溶性分散劑。

在本發明某些實施方式中，於乾式造粒製程中的高分子黏結劑包含糊精、澱粉、動物蛋白質膠、其它型式的膠以及其混合物。在某些實施例中，高分子黏結劑可為水溶性材料。

在本發明某些實施方式中，於濕式造粒製程中的高分子黏結劑係有機材料，尤其係聚合物材料，例如聚酯、聚丙烯醯胺、聚丙烯酸、聚丙烯酸酯、聚乙烯、聚乙烯醇、聚顺丁烯二酸酐、聚乙二醇、環氧樹脂、酚醛樹脂、聚胺基甲酸酯、聚醯胺、聚甲基丙烯酸酯、聚氯乙烯、聚矽氧烷、矽酮、乙酸纖維素、硝酸纖維素、天然橡膠、糊精、澱粉、動物蛋白質膠、其它型式的膠以及其混合物。

在本發明之其他部分實施例中，上述步驟(b)所述燒結溫度為350℃至850℃，例如為400℃、500℃、600℃、700℃或800℃。

在本發明某些實施方式中，藉由高分子黏結劑 之添加，高分子黏結劑會因燒結時的高溫分解而自然產生孔隙。因此，可藉由控制混合物顆粒中的高分子黏結劑含量，進而控制多孔性之磨料叢集體的孔隙體積%。

磨削工具

請參考第3圖，其為本發明實施例之磨削工具之立體示意圖。磨削工具包含基材100以及磨料複合層200，磨料複合層200包含複數個多孔性之磨料叢集體210以及固化結合劑220。多孔性之磨料叢集體210分散於固化結合劑220中。磨料複合層200黏結在基材100表面上。

在本發明某些實施方式中，磨料複合層200中可進一步包含其他磨料顆粒，例如氧化鋁顆粒、碳化矽顆粒、氧化鋁-氧化鋯顆粒、鋁氧氮化物顆粒、二氧化鈰顆粒、次氧化硼顆粒、石榴石顆粒、燧石顆粒、鑽石顆粒、或立方氮化硼(CBN)顆粒。

在本發明某些實施方式中，磨料複合層200中可包含孔隙微通道，這些孔隙微通道分佈在固化結合劑220中。「孔隙微通道」可用以提供研磨流體(如冷卻劑)通道以移除研磨過程產生的熱量。因此，孔隙微通道可避免研磨環境的溫度升高，並為潤滑劑提供通道，降低運動的磨料與工件表面之間的摩擦，並提高磨削與摩損之比。此外，孔隙微通道還能夠對於從被研磨物體上脫落的物質(如金屬碎片和碎屑)提供容納空間，從而避免磨削工具被填塞，導致磨削工具的工作效率降低。

在本發明某些實施方式中，磨料複合層200黏結在基材100表面上係藉由環氧樹脂、酚醛樹脂或本技術領 域中習知的任何其他黏結劑進行黏結。

在本發明某些實施方式中，固化結合劑220實質上具有彈性，例如由樹脂、金屬、橡膠、聚氨酯或聚氯乙烯所製成。在某些實施例中，固化結合劑的硬度係小於磨料顆粒的硬度。在另外某些實施方式中，固化結合劑220為剛性體，例如由陶瓷材料或其他剛性材料所製成。因此，本發明實施方式所述的多孔性之磨料叢集體可適用在彈性的固化結合劑或剛性的固化結合劑。

在本發明某些實施方式中，基材100之材料選自鋁、鐵、樹脂或本技術領域中習知的任何其他基材材料。

在本發明某些實施方式中，以磨料複合層總體積為基準，多孔性之磨料叢集體體積率為10~60%，例如為20%、30%、40%或50%。

在本發明某些實施方式中，以磨料複合層總體積為基準，固化結合劑體積率為10~60%，例如為20%、30%、40%或50%。

在本發明某些實施方式中，以磨料複合層總體積為基準，其他磨料顆粒體積率為10~40%，例如為15%、20%、25%、30%或35%。

在本發明某些實施方式中，以磨料複合層總體積為基準，孔隙微通道體積率為10~60%，例如為15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%或55%。

以下，藉由說明本發明之實施例及比較例，來對本發明進行詳細說明。然而，本發明並未受限於以下之實施例。

實施例1：多孔性之磨料叢集體之製備

將9.57克的RVM(Resin Vitrified Metal)鑽石磨料8/16μm(市售)以及12.43克的陶瓷氧化物微結構放入混合罐中使用三維混合機均勻混合3小時。於混合物中添加聚乙二醇(Sigma-Aldrich)水溶液1.43克並製作為球體狀。將球體置於氧化鋁夾缽中放入高溫燒結爐中進行燒結，燒結溫度為650℃，持溫45分鐘後自然冷卻。使用#325篩網將經燒結之球體過篩後即完成叢集球體製作。

實施例2：本發明鑽石砂輪之製備

將實施例1的多孔性之磨料叢集體作為本發明鑽石砂輪之鑽石磨料，將多孔性之磨料叢集體、酚醛樹脂(固化結合劑)、碳化矽磨料和孔隙材料均勻混合，並將混合物均勻填入模具，之後進行冷壓、熱壓及固化製程，最後將固化後之磨料層取出黏結於基材上。最終製得之鑽石砂輪的重要參數如下：多孔性之磨料叢集體體積率為25%，酚醛樹脂體積率為30%，碳化矽磨料體積率為15%，孔隙體積率30%。砂輪尺寸為外徑85mm、厚度5mm，型式為11A2。試驗參數：砂輪尺寸：外徑85mm；研磨層厚度：5mm；研削工件：碳化鎢KG3。(春保森拉天時)；研磨機：工具磨床；切削液：水溶性切削液；砂輪線速度：20m/s；床台速度：4.5m/min；進刀量：0.005mm/pass；工件去除量：1000mm³。研削測試評價，結果紀載於表一。

比較例1：一般鑽石砂輪之製備

使用RVM(Resin Vitrified Metal)鑽石磨料 8/16μm(市售)作為鑽石砂輪中的鑽石磨料，將鑽石磨料、酚醛樹脂、碳化矽磨料和孔隙材料均勻混合，並將混合物均勻填入模具，之後進行冷壓、熱壓燒結，最後將燒結後之磨料層取出黏結於基材上。最終製得之一般鑽石砂輪的重要參數如下：：鑽石磨料體積率為25%，酚醛樹脂體積率為30%，碳化矽磨料體積率為15%，孔隙體積率30%。砂輪尺寸為外徑85mm、厚度5mm，型式為11A2。試驗參數：砂輪尺寸：外徑85mm；研磨層厚度：5mm；研削工件：碳化鎢KG3。(春保森拉天時)；研磨機：工具磨床；切削液：水溶性切削液；砂輪線速度：20m/s；床台速度：4.5m/min；進刀量：0.005mm/pass；工件去除量：1000mm³。研削測試評價，結果紀載於表一。

作為評價鑽石砂輪的方法，可從研削測試結果中的研削比、主軸負載值變化量、工件表面粗糙度三者評比。所述「研削比」，係指工件去除體積除以砂輪消耗體積；所述「主軸負載值變化量」，係指研磨機主軸之基礎電流值與試驗過程中主軸電流值之差值。一般馬達轉動會產生主軸負載(基礎電流)。而砂輪進行研磨時，因負載提高的關係， 電流會提高。故主軸負載值變化量越小，代表切削力越好；所述「工件表面粗糙度」，係指使用非接觸式表面粗糙度儀進行量測實驗後工件表面粗糙度。

由表一可知，實施例2的研削比為67.8，較比較例1的13.6高，實施例2的主軸負載值變化量為0.31(A)，較比較例1的0.65(A)低，實施例2的工件表面粗糙度(Ra/Rz)為40.4(nm)/358.7(nm)，比較例的工件表面粗糙度(Ra/Rz)則為89.7(nm)/1040.3(nm)，顯示出本發明的鑽石砂輪具有良好的切削性能。

由上述發明實施例可知，在此揭露的多孔性之磨料叢集體具有下述特點。當使用彈性的固化結合劑製造磨削工具，此磨削工具於研磨時，具有較大體積的多孔性之磨料叢集體，即使受正向壓力龐大，但因埋於結合劑層內之多孔性之磨料叢集體部分接觸面積較大之緣故，能有效分散所受壓力。從而支撐在外進行研磨之部分，避免磨料陷(沉)入結合劑層的現象，因此解決習知技術中彈性結合劑無法使用大部分磨料顆粒的問題。另一方面，作為磨料顆粒之諸如立方氮化硼(CBN)、鑽石等材料比重較大，故選擇添加比重接近磨料顆粒之陶瓷氧化物顆粒作為其間的結合材料，而形成陶瓷氧化物微結構。在某些實施例中，陶瓷氧化物顆粒比重為磨料顆粒比重的±50%、±30%、或±10%。藉由使磨料顆粒與結合劑比重接近，能於混合兩者時時，有效分散磨料顆粒與陶瓷氧化物顆粒，以解決磨料分布不均勻的問題。

應理解的是，本發明之多孔性之磨料叢集體， 其在進行研磨時，會產生「自生」現象。請參考第4A圖與第4B圖，其為本發明實施例之多孔性之磨料叢集體自生示意圖。「自生」係指對於被磨成平面，而沒有削切能力之磨料顆粒211a(如第4A圖所示)，會因黏結其之陶瓷氧化物微結構213斷裂而脫落(如第4B圖所示)。因此，讓未經研磨之完整的磨料顆粒211出現，從而達到良好的磨料替換性。

在本發明某些實施方式中，「自生」現象，受多孔性之磨料叢集體中孔隙比率之影響。如前文所述，當孔隙的體積百分率小於某一數值時，則無法達成本發明的某些技術效果。具體的說，當孔隙的體積百分率小於某一數值時，則多孔性之磨料叢集體整體的機械強度提高，可能導致在切削及/或研磨製程中不會發生上述的「自生」現象。因此，當多孔性之磨料叢集體的孔隙的體積百分比小於例如10體積%或20體積%時，則可能無法具有「自生」現象。應理解的是，能夠發上述「自生」的適當孔隙體積百分率範圍與陶瓷氧化物材料有關。根據本發明的多個實施方式，多孔性之磨料叢集體中孔隙的體積百分率為約20-70體積%、約30-60體積%、約20-50體積%或約40-70體積%。

綜上所述，本發明之多孔性之磨料叢集體，其可藉由結合劑材料黏附至磨削工具的基材表面上，使得磨削工具在執行研磨加工時，進行研磨之磨料可以得到良好的支撐，並且具有好的自銳、自生、切削性能，且使所製得的磨削工具壽命得以延長、工作表面品質佳。

應了解，上述各實施例僅為示例性質，並非用 以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當以後附之申請專利範圍所界定為準。

Claims (10)

1. 一種多孔性之磨料叢集體，其包含複數個磨料顆粒、複數個陶瓷氧化物微結構以及分佈在該些磨料顆粒與該些陶瓷氧化物微結構之間的複數個孔隙，該些磨料顆粒係藉由該些陶瓷氧化物微結構而相互黏結，其中該陶瓷氧化物微結構未填滿該些磨料顆粒之間的空間而形成該些孔隙。
2. 如申請專利範圍第1項之多孔性之磨料叢集體，其中以該多孔性之磨料叢集體總體積為基準，該孔隙為5~80體積%。
3. 如申請專利範圍第1項之多孔性之磨料叢集體，其中該些磨料顆粒係選自由氧化鋁顆粒、碳化矽顆粒、氧化鋁-氧化鋯顆粒、鋁氧氮化物顆粒、二氧化鈰顆粒、次氧化硼顆粒、石榴石顆粒、燧石顆粒、鑽石顆粒、立方氮化硼(CBN)顆粒以及上述之組合所組成之群組。
4. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項所述之多孔性之磨料叢集體，其中該陶瓷氧化物微結構包含二氧化矽、氧化鋯、氧化鎂、氧化鈣、氧化鈉、氧化鉀、二氧化鈦、氧化鐵、氧化鋁、氧化硼、氧化鈰或上述之組合。
5. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項所述之多孔性之磨料叢集體，其粒徑為10~220微米。
6. 一種磨削工具，其包含一基材、一磨料複合層，該磨料複合層包含至少一個如申請專利範圍第1項至第5項中任一項所述之多孔性之磨料叢集體以及固化結合劑，該磨料複合層配置在該基材表面上，該多孔性之磨料叢集體分散於該固化結合劑中。
7. 如申請專利範圍第6項之磨削工具，其中該固化結合劑係有彈性的。
8. 如申請專利範圍第7項之磨削工具，其中該固化結合劑包含樹脂、金屬、橡膠、聚氨酯或聚氯乙烯。
9. 一種製備多孔性之磨料叢集體之方法，包含下列步驟：(a)混合複數個磨料顆粒、複數個陶瓷氧化物顆粒以及高分子黏結劑，而形成至少一混合物顆粒；(b)將該混合物顆粒置入300℃至900℃之環境中進行燒結，以移除該混合物顆粒中的該高分子黏結劑，並使該些陶瓷氧化物顆粒至少局部熔融而連結該些磨料顆粒，而形成一多孔性之磨料叢集體。
10. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中步驟(a)包含使用一乾式造粒製程或濕式造粒製程。